GPS:er i mina braxer, sa kapten Zoom! Navigera på havet är det svåraste som finns, för man vet ju aldrig var man är. Alla öar ser likadana ut sett från havsytan.
GPS-navigatorn kom som en räddande ängel för alla slöa skeppare under 80-talet. Tillsammans med elektroniska kartor, ECDIS, kan den direkt peka ut fartygets plats på kartan med en noggrannhet på några tiotals meter när. Navigationen hade förvandlats till ett TV-spel. Med GPS-navigatorn kopplad till autopiloten kunde båten nu styra fram till målet alldeles själv. Och krocka själv.
Yrkessjöfarten har sedan länge haft radar, men det är en dyrbar apparat som dessutom måste sitta högt uppe för att ge rimligt lång horisont. En ARPA-radar kan räkna ut och visa radarekonas kurs och fart på skärmen, men kan tyvärr inte se bakom öar och runt krökar i kanaler. Den kan inte heller sätta namn på ekona.
Det finns andra fartyg på havet som man kan kollidera med, och vrak, och fyrar, och land. In kom vår egen Håkan Lans, som i samarbete med Sjöfartsverket (SFV) ordnade biffen med en kombination av GPS, VHF-radio, modernt nätverkstänkande och cellradioteknik. Resultatet kallas AIS, Automatic Identification System och idén var så bra att alla fartyg på över 300 tons bruttovikt från och med år 2002 ska ha det. Samtidigt eliminerades nästan radarn.
Ett fartyg med AIS har en transponder som känner till sin position med hjälp av GPS och kan sända denna till andra fartyg runt omkring. Sändningen sker på VHF-bandet och i form av tidsdelning, TDMA, så att flera transpondrar delar tidsluckor på en kanal och nytillkomna transpondrar själv hittar en plats bland tidsluckorna. En transponder som tar emot datapaketen kan peka ut de andra fartygens/transpondrarnas position, tillsammans med sin egen på en elektronisk karta. AIS-systemet kan alltså se runt hörn, så långt bort som VHF-signalen hörs. Med en uteffekt på 25 W hörs en transponder 55-75 km och ett större fartyg 90-110 km.
Även kustradiostationer i land är med i nätet och hämtar upp alla fartygs position och skickar denna vidare till Sjöfartsverkets servrar, varifrån flera intressenter, Sjöfartsverket, Kustbevakningen och Marinen kan få uppgift om all sjöfart i svenska vatten. Karttjänsten Marine Traffic använder data för att visa AIS-utrustad sjöfart över hela världen.
En AIS-enhet kan normalt kopplas till ARPA-radarn och användas till att identifiera ekona. Radarn är inte urmodig ännu. Man får inte glömma att det fortfarande finns fartyg utan AIS, som ändå bara kan ses på radar. Oftast lägger man in radarekona ovanpå den syntetiska kartbilden i ECDIS istället.
Se vidare tekniska detaljer nedan.
Med ytterligare matematik
Data som kommer från andra fartyg, sävål som det egna, är inte bara punkter på en karta, utan kan användas till förutsägelser om tänkbara faror, skärande kurs, kollisioner osv. Datorn kan beräkna om det finns risk för att vårt fartyg kommer att kollidera med något annat fartyg, ö, kaj, eller vrak, nu eller i framtiden, baserat på vår och det andra fartygets nuvarande eller framtida kurs- och fartändringar. Det gäller också fartyg som just nu är skymda bakom en ö eller krök i en kanal.
Även övervakning
Eftersom datapaketen innehåller identifikation, som fartygets IMO-nummer, namn, typ av last och destination, kan man genom att söka i datat se vilka fartyg med otillåten last som befinner sig på otillåtna ställen (lättknäckta oljetankers), och till och med om ett fartyg med olämplig last är på väg till en hamn det inte får besöka. SFV arbetar i en organisation kallad Helcom, avsedd att ta fram larm för farliga frakter på detta sätt.
Det är mums för Marinen som kan få automatiska rapporter om andra länders fartyg i svenska vatten och till exempel varningar när det misstänkta fartyget F passerar territorialvattengränsen i punkt X,Y. Det är bara att åka dit och titta!
Tekniken
AIS sänder på två kanaler som är reserverade över hela världen för detta ändamål. Eftersom det finns totalt 4500 tidsluckor (se nedan) kan man i teorin ha lika många fartyg i närområdet, men i själva verket blir fartygen lägre bort störda av andra celler. Fler än 5-600 stycken kan man inte ta emot tillförlitligt, men kan se ungefär 2000 under gynnsamma förhållanden. AIS kan inte minska transponderns uteffekt för att minska cellens storlek som i GSM-systemet.
När en transponder hör en dataström undersöker den först en hel TDMA-frame efter en tom subframe (tidslucka) som den kan sända i själv. Samtidigt registreras alla andra tomma subframar. Nästa gång den tomma subframen dyker upp sänder transpondern ett datapaket. I paketet ingår ett slumpvis valt subframenummer (bland de tomma) där den tänker sända nästa gång. Alla andra hör meddelandet om var den tänker sända nästa gång och undviker denna subframe. Därför kallas metoden Self-Organising TDMA.
Transpondern kan inte veta om subframen fortfarande är tom när den ska sända för första gången, och skulle det bli kollision för att någon annan valde samma första-subframe kommer de sannolikt inte att välja samma subframe nästa varv och kolliderar inte mer. När båda sändarna nu hör varandra utan kollisioner, kommer de inte att kollidera i fortsättningen heller.
Det finns ingen bestämd start-subframe utan transpondern får själv avgöra när sekvensen ”börjar”.
Snabba fartyg kommer längre än långsamma, på samma tid. Därför rapporterar transpondern med stigande frekvens allt efter farten, från var 3 minut vid låga farter, till varannan sekund vid farter över 23 knop eller vid kursändringar. Då tvingas den leta efter flera tomma subframar att sända i. Normalt är det mest tomrum i framen och det finns alltid plats för de extra datapaketen. AIS sänder också olika meddelandetyper med olika frekvens. Grundmeddelandet om fartygets fart, kurs och position sänds ofta, kanske 1 gång per minut (en gång per TDMA-frame) till varannan sekund, medan andra meddelanden om fartygets namn, IMO-nummer, last osv. sänds var 6:e minut. Allt för att spara bandbredd. Fasta objekt som kuststationer, fyrar mm sänder ännu mera sällan, men de rör sig inte så fort. Text (t ex vädervarningar) är en annan meddelandetyp, som kan sändas vid behov.
Nätverkets uppbyggnad
Det finns 38 kuststationer utefter den svenska kusten, många av dem med flera transpondrar om trafiken är tät. Framarna hämtas ur transpondrarna och skickas till flera databaser i landet, där de lagras som historisk dokumentation. De lagras i sitt ursprungliga skick, som TDMA-framar utan avkodning. Vid VTS-stationerna kan man koppla sig till valfri kuststation (eller egentligen områden) och hämta framar i realtid för att få en realtidsbild av situationen, eller hämta historiska framar från databaserna. Datautbyte sker med länderna kring Östersjön. Det går att titta ända bort till St. Petersburg.
Transpondern i fartyget är en svart låda som innehåller en sändare och en eller flera mottagare kopplade till transponderlogiken som styr dataströmmarna. Dessutom finns en GPS-mottagare som lämnar position och realtid. Till transpondern hör en terminal med ett tangentbord som används för konfiguration av fartygsdata (namn, last, IMO-nummer mm) med en enkel display. Som tillval kan man skaffa en ECDIS, alltså en PC med syntetiska kartor och ett program som kan tolka TDMA-framarna och plotta fartygen runt omkring, på bildskärmen. Den används för skepparens egen navigation och varning, men transpondern fungerar alltså alldeles utmärkt utan tillkopplad PC. Data som uppkommer i transpondern kan matas ut till andra enheter, till exempel en ARPA-radar, för att namnge radarekona.
Varje TDMA-frame är 60 sekunder lång och indelad i 2250 tidsluckor om 26,67 millisekunder. I varje tidslucka ryms subframens nyttodatadel på 25 millisekunder och en skyddstid mellan två subframar på 1,67 millisekunder. Skyddstiden finns till för att en sändares bärvåg ska hinna dö ut och nästa bärvåg ska hinna nå full amplitud innan synksekvensen och preamblet börjar. Skyddstiden har också valts för att ge radiovågen tid att gå 550 km, som alltså är systemet maximala räckvidd. Vanlig båtradio går på sin höjd 90 km, men eftersom flygplan kan vara med i dataströmmen har man valt en längre löptid. Båda AIS-kanalerna söks av i ring.
Preamble innehåller fast data, bland annat den meddelandetyp det rör sig om. AIS kan hantera en mängd olika meddelandetyper där fartygets position och kurs bara är en. Position och kurs kan dessutom anges på fyra olika sätt, med fyra meddelandetyper. Därpå följer nyttodata, alltså meddelandet på 32 byte. Det hela avslutas med ett postamble som innehåller realtiden (från GPS, av loggningsskäl, när man dokumenterar data i land), den eller de subframar som transpondern tänker använda härnäst och en checksumma. Det är alltså fler än 32 byte i en subframe, men räknar man bara nyttodatas 32 byte gånger 2250 subframar på 60 sekunder blir det trevliga 9600 bps som passar precis på en standard serieledning enligt den maritima NMEA 0183-standarden.
En situation i praktiken
Här kommer en jättebåt runt hörnet i 15 knops fart. Vädret är lite dåligt. Ser han oss, eller blir vi småsmulor om fem minuter?
Men AIS är saken biff. Advetos Aecdis 2000 visar två finlandsbåtar som möts vid Lagnö i Stockholms skärgård. Viking Lines (svart fartyg) rutt är markerad med rött och systemet predikterar var fartyget kommer att befinna sig om fem minuter med nuvarande roderutslag osv. Silja Symphony är på väg åt andra hållet…
…och här ser du samma situation på radar. Rena röran, eller hur? Viking Line syns med ett rejält stävstreck som pekar mot Stockholm (åt vänster) och ett annat fartyg (som radarn inte vet är Symphony) dolt i ekon från svallvågor med en fartvektor som pekar upp på land. Om det finns något runt hörnet norröver går inte att se.
AIS utvecklas hela tiden och nya hjälpmedel för vidare behandling av data dyker ständigt upp. När vårt fartygs manöverförmåga är känd kan datorn visa var vi är om 5 minuter. Om vi lägger om rodret 10 grader för att undvika en ö, går vi på grund ändå eftersom vi är så tunga att vi inte hinner undan? Det är frågor som man med smarta algoritmer kan lösa och visa på ECDIS även om det inte är en del av AIS. Förhoppningsvis ska det leda till färre olyckor till havs. Den moderna tekniken hjälper även den klantigaste att inte förolyckas.
5 typer av parametrar som sänds och tas emot av en AIS-transponder:
Dynamiska parametrar: MMSI-nummer, position, kurs över grund, fart över grund, kurs, navigationsstatus, positionsnoggrannhet
Fasta parametrar: Namn, IMO-nummer, anropssignal, längd och bredd, fartygstyp, GPS-antennens plats, djupgående, typ av last, destination, uppskattad ankomsttid
Realtiden sänds med i varje subframe för att den centrala lagringen i land ska känna till exakt tid för alla händelser.
Transpondern meddelar vilken eller vilka tidsluckor den tänker använda härnäst, så att andra transpondrar inte sänder samtidigt. Collision Avoidance.
AIS tillåter även kortare textmeddelanden (SMS) på 96 byte.
Läs mer
Sjöfartsverket har ansvaret för att AIS fungerar i Sverige. Läs mer på https://www.sjofartsverket.se/sv/tjanster/transporter-och-farleder2/bygg-och-teknik/fragor-och-svar-om-ais-data.
En svensk transpondertillverkare är FLIR Transpondertech. Läs om deras transpondrar för sjöfarten på https://www.transpondertech.com/products/shipborne-ais/r6-supreme-ais.
AIS-data skickas bland annat vidare till tjänsten Marine Traffic, där du kan se alla AIS-utrustade fartyg över hela världen. https://marine-traffic.se/
Marine Taffics bild av Stockholms skärgård. Viking Lines Cinderella är hittad och markerad.
VHF-radion
Den vanliga marina VHF-radions 88 kanaler ligger på 156,025 – 157,425 för kustationen och 160,625 – 162,025 för fartyget. AIS finns på 161,975 (kanal 87 fartyg) eller 162,025 MHz (kanal 88 fartyg) och sänder med 25 kHz kanalbredd. Lyssna gärna med AM-demodulator. Datapaketen låter som korta bruspulser med ganska långa mellanrum.
Sjöfartssnack
Terminologin på sjön har gått från knopar, knapar och skalka i lovart till datatermer. Här har du de vanligaste:
ARPA: Automatic Radar Plotting Aid, radar som kan visa beräknade kurser för radarekon.
DGPS: Differentiell GPS, som med hjälp av korrigering från markstationer kan uppnå mycket höga noggrannheter, nedåt 1 m.
ECDIS: Electronic Chart Display and Information System, bildskärm för visning av instrument och kartor ombord.
IMO: International Maritime Organisation, internationell organisation som sätter standarder på sjön.
STDMA eller SOTDMA: Self-Organised Time Division Multiple Access, kommunikationsmetoden som används i AIS.
VTS: Vessel Traffic Service, trafikledningen i hamnar etc.
